Universidade de Brasília
Sistemas Digitais(recapitulando)
Organização e Arquitetura deComputadores
WWWebster DictionaryMain Entry: in·for·mat·icsPronunciation: "in-f&r-'ma-tiksFunction: noun plural but singular in constructionEtymology: International Scientific Vocabulary information + -icsDate: circa 1967chiefly British : INFORMATION SCIENCE
Main Entry: information scienceFunction: nounDate: 1960: the collection, classification, storage, retrieval, and disseminationof recorded knowledge treated both as a pure and as an appliedscience
Petit RobertInformatiquen.f.Science de l’information; ensemble des techniques de la collecte,du tri, de la mise en memóire, de la transmission et de l’utilisationdes informations traitées automatiquemente à l’aide deprogrammes (logiciels) mis en œuvre sur ordinateurs.
Aurélio EletrônicoVerbete: informáticaS. f.1. Ciência que visa ao tratamento da informação através do uso deequipamentos e procedimentos da área de processamento dedados [q. v.]
Apresentar os dispositivos que permitemo armazenamento e a implementação deoperações envolvendo informação:
. . .
Objetivo
Operações sobre a informação
Processadores
FPGA
Circuitos integradosprogramáveis
Representação dainformação
Roteiro
Representaçãoda informação
Analógica
Digital
Na representação digital, um valor é representado poruma seqüência finita de símbolos chamados dígitos.O número e o tipo dos símbolos determina o custo e odesempenho da implementação física do sistemadigital.
O mais comum é o sistema binário, composto pelossímbolos 0 e 1. As seqüências de 1 dígito sãochamadas bits e as de 8 dígitos são chamadas bytes.
Codificação de inteiros com sinal
Codificação de reais: ponto flutuante
Codificação de texto.
Codificação de inteiros com sinal
Código sinal-módulo
Código complemento de um
Código complemento de dois
Se o bit mais significativo é zero, o número épositivo, se é 1, o número é negativo.
Código sinal-módulo
Com n bits
-(2n-1 - 1) ... +(2n-1 - 1)
+0 = 00000000 (n = 8)
-0 = 10000000 (n = 8)
+57 = 00111001 (n = 8)
-57 = 10111001 (n = 8)
Código complemento de um
O complemento de um, de um número binário,é igual ao inverso do número: todos os 1s donúmero são substituídos por 0s e vice-versa.
Nesta codificação, um número negativo érepresentado pelo complemento de um doequivalente positivo.
Código complemento de um
-(2n-1 - 1) ... +(2n-1 - 1)
+0 = 00000000 (n = 8)
-0 = 11111111 (n = 8)
+57 = 00111001 (n = 8)
-57 = 11000110 (n = 8)
Código complemento de um
Problema na subtração
42
-19
23
00101010
11101100 +
100010110
1 +
00010111
00101010
-00010011
00010111
Código complemento de dois
O código complemento de dois de um número binárioé igual ao complemento de um mais um.
Na representação de complemento de dois de inteiroscom sinal, um inteiro negativo é codificado pelocomplemento de dois do mesmo número positivo.
Código complemento de dois
-(2n-1) ... +(2n-1 - 1)
+0 = 00000000 (n = 8)
+57 = 00111001 (n = 8)
-57 = 11000111 (n = 8)
Código complemento de dois
42
-19
23
00101010
11101101 +
00010111
00101010
-00010011
00010111
Codificação de reais.Ponto flutuante
A seqüência de bits que representa um número deponto flutuante é dividida em três partes: sinal,mantissa e expoente
ponto_flutuante = ±1 x mantissa x 2expoente
Codificação de reais.Ponto flutuante
6.75 = 1_22 + 1_21 + 0_20 + 1_2-1 + 1_2-2
6.75 = 110.11 = + 1.1011 _ 2 2
0 1011000000 00010
Codificação de texto.ASCII: American Standard Code for Information Interchange
00001101 retorno
00100100 $
01000001 A
01100001 a
EBCDIC: Extended Binary Code Decimal Interchange Code
IBM
UNICODE . . .
Operações sobre a informação.Implementação de funçõeslógicas combinatórias
Uma porta lógica é o dispositivo físico que implementa umafunção lógica básica.
Como todas as funções lógicas podem ser expressas comocombinações de três operações (NOT, AND e OR), bastaconstruir portas lógicas destas três funções.
Qualquer outra função pode ser implementada por umacombinação destas portas.
NOT
Inversão ou complementação lógica
aaaa
01
10
aa
aa
AND
Produto ou interseção lógica
a a2bb
a b a2b
0 0 00 1 01 0 01 1 1
ba
ORSoma ou união lógica
a b a+b
0 0 00 1 11 0 11 1 1
ba
b a + ba
a a+bb
EXCLUSIVE-OR ou XOR
babaz += b
aa b a+b
0 0 00 1 11 0 11 1 0
Multiplexador
abkbakbakbakz 3210 +++=
Função universal
k0 = 0, k1 = 1, k2 = 1, k3 = 0: XOR
babaabbababaz +=+++= )(0)(1)(1)(0
k0 0k1 1k2 2k3 3
z
a b
a b z
0 0 k00 1 k11 0 k21 1 k3
Exemplo: Full adderUm somador completo é uma função lógica que realiza asoma de dois bits Xi e Yi, mais um bit para o carry-in Ci
(“vai um” de entrada). Produz um bit de resultado, Si, e umbit Ci+1 para o carry-out (“vai um” de saída). A adição dedois números de n bits é implementada pela conexão emcascata de n full adders:
Xn-1 Yn-1
Cn-1
Cn
Sn-1
full adder
X0 Y0
C0
S0
full adder
X1 Y1
C1
C2
S1
full adder
Na base de qualquer implementação de uma porta lógica,eletrônica ou outra, está a chave: dispositivo binário simplesno qual um sinal de entrada X comanda um sinal de saída Z.
Implementação de funçõeslógicas combinatórias
input X
output Z
Operações sobre a informação.Implementação de funçõeslógicas combinatórias
X Z
Operações sobre a informação.Implementação de funçõeslógicas combinatórias
ZX
gate
dreno
fonte
Transistor MOS
Operações sobre a informação.Implementação de funçõeslógicas combinatórias
NAND
1
0
Z
X1
X2
Operações sobre a informação.Sistemas seqüenciais
Diferentemente dos sistemas combinatórios, onde ainformação de saída em dado instante dependeexclusivamente da informação de entrada naquelemomento, o comportamento de sistemas seqüenciaisdepende da seqüência de entradas durante umperíodo de tempo.
Sistemas sequenciais síncronos utilizam um sinal chamadorelógio como referência de tempo.
Flip-flop D
Elemento mais comum para armazenamentode variáveis de estado
D
Ck
Q
D Q
Ck Q
RegistradoresUm conjunto de flip-flops D compartilhando omesmo sinal de relógio é chamado registrador.
0
1
QDCK
CkLOAD
D
Máquina seqüencial
A síntese de uma máquina seqüencial se reduz à síntese de doissistemas combinatórios, as funções f e δδδδ:
estado_futuro = f (estado_presente, entradas)
saídas = δδδδ (estado_presente, entradas)
δδδδ
fflip -flops
saídas
estado_presente
entradas
estado_futuro Ck
Operações sobre a informação.MemóriasMatriz bi-dimensional utilizada para armazenar bitsde informação. Cada linha da memória, identificadapor um endereço único, é chamada word. O acesso àinformação, tanto na entrada (write) quanto na saída(read) é feito palavra por palavra.
• ROM (Read-Only Memory): não volátil
• RAM (Random-Access Memory): volátil
ROM
PROM 16Kx16
• Mask ROM
• PROM
• EPROM
• EEPROM
RAM
•Static RAM(SRAM)
•dynamic RAM(DRAM)
64K x 18 Synchronous Cache RAM
PIC: Circuitos integradosprogramáveis
Full-custom(ASIC)
Hand-made
Standard cells
Maskprogramable
Fieldprogramable
Gate array
ROM
PROMPALPLA
CPLDFPGA
Semi-custom
Standard
ASIC: Application Specific Integrated Circuits
Circuitos lógicos programáveis
• PLD (Programable Logic Device)
• CPLD (Complex Programable Logic Device)
• FPGA (Field-programable gate array)
PLD Programable Logic Device
circuito lógico combinatório
AND array OR array
produtos lógicos
entradas saídas
Toda função lógica pode ser expressa como uma soma dem produtos.
Uma porta OR de m entradas e m portas AND de até n entradassão suficientes para implementar qualquer função lógicacombinatória.
FPGA Field-programable gate arrayArray de células lógicasnuma infraestrutura deinterconexões.
CLBs - configurable logic blocks
FPGA
ProcessadoresUm processador é um recurso de hardware necessário para aexecução de um algoritmo para processamento de informação.
• Unidade de controle. Seqüenciamento do algoritmo.
• Unidade de processamento. Memória (registradores) eelementos de processamento (operadores).
unidadede
controle
unidadede
processamento
entrada de dados
saída de dados
entradas de controle
saídas de controle
controles
estadoCk
ExemploDiagrama de blocos de um processador: componentes típicos
dataocountmasktemp
and+
shifter
comparador
lógicacombinatória
flip -flops
Ck
data ≠≠≠≠ 0status signal
controle20
32
6
start
done
inport
outport
Referências
Mange, D., Tomassini, M. (1998) Bio-Inspired ComputingMachines. Towards Novel Computation Architectures. Capítulo2. Presses polytechniques et universitaires romandes.
Prof. Dr. Rainer Brück http://www.rs.uni-siegen.de/institut/courses/fpga/script_en/page1.html, UniversitätGH Siegen, Institut für Rechnerstrukturen.
Leitura complementar
Organização Estruturada de Computadores
Capítulo 3 {3.1, 3.2, 3.3}
Andrew S. Tanenbaum
Prentice/Hall do Brasil
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